淺析貫流式電站機組泡頭進人孔的設(shè)計不足及改造方案

摘 要：西北某低水頭水電站，水輪機在額定水頭額定出力下運行良好，但是由于設(shè)計問題，機組定子、轉(zhuǎn)子檢修不方便。經(jīng)分析認為，可以改造機組燈炮頭進人孔設(shè)計以達到方便檢修的目的。

關(guān)鍵詞：水輪機；貫流式；進人孔

1 電廠概況

西北某水電站是黃河龍-青河段沿梯級水電站。電站總裝機容量74MW（4×18.5MW），為日調(diào)節(jié)水電站，其主要任務(wù)是發(fā)電。電站為三等中型工程，整個樞紐工程由左岸副壩、電站廠房、沖沙閘、右岸副壩等建筑物組成。

2 原因分析

水電站4臺機組運行并網(wǎng)發(fā)電之后，由于加工制造等原因，檢修發(fā)電機定轉(zhuǎn)子時只有泡體中設(shè)有一個風洞進人孔。由于風洞進人孔的開口位置不理想，在泡體中面朝上游組合軸承的九點鐘方向，距離轉(zhuǎn)子約1.3m的地方。導致檢修人員在前往定轉(zhuǎn)子室打開進人孔門欲進入風洞時，必須躬身腳踏定轉(zhuǎn)子消防管的固定角鋼，再用身體橫跨1.3m的空間，用手抓住轉(zhuǎn)子筋板孔隙才能固定身體。此時檢修人員只有兩個斜向空間的支撐點：一處為消防管的固定角鋼，一處為轉(zhuǎn)子筋板孔隙。此時檢修人員距離轉(zhuǎn)子底部的垂直距離約為3.899m，十分危險。影響了檢修人員的工作環(huán)境，增加了其危險系數(shù)。因為進風洞時檢修人員必須腳踏定轉(zhuǎn)子消防管的固定角鋼的“L”形頂角部分，長此以往將會嚴重影響角鋼對于定轉(zhuǎn)子消防管的固定效果及使用壽命，而且檢修人員在踏著角鋼頂角部分作業(yè)時亦容易打滑，若此時手中抓不穩(wěn)即會發(fā)生嚴重的人身安全事故，因為腳下是定子齒壓板及定位筋等棱角形狀設(shè)備，所以一旦發(fā)生滑落事故，則后果不堪設(shè)想。這對于檢修人員亦是一種心理負擔，進一步考慮：若人員不發(fā)生安全事故，每次檢修人員進入風洞時都踩踏固定消防管道的角鋼，此角鋼為45號回火索氏體（即優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)剛），厚度為3mm，寬度為50mm，其許應力為353MPa。假設(shè)檢修人員踩在角鋼上時，角鋼的受力為80%的垂直重力加上20%的斜向扭力矩。設(shè)定檢修人員體重為75kg，角鋼長出管型座40cm且固定牢靠。則角鋼的最大承受復合力矩的屈服極限為σ=（353MPa/n）×S×80%×15%=28.24MPa/cm2，而檢修人員施加給角鋼的垂直方向的力量為m×g×80%=588N而彎曲（拉伸）扭轉(zhuǎn)的組合強度為？滓=■+■

？子=■=■根據(jù)第三強度理論條件■？燮[？滓]而？滓max=■+■？燮[？滓]（其中g(shù)取9.8，安全系數(shù)n取國家給定值1.5）由運算結(jié)果來看，角鋼對于承受檢修人員的重力和扭矩的復合力而言是達到屈服極限的邊緣的，再加上我們考慮到人員的沖力、兩端鉸支細長壓桿的臨界力Pc=？仔2EI/L2計算出其臨界應力？滓c=■≈30.714MPa（d近似取20mm，E=210GPa）及日常機組復合震動對于鋼才造成的因素之后，計算值告訴我們：在這種受力情況下，角鋼的壽命和強度、撓度、屈服極限和抗壓縮（拉伸）系數(shù)均很難有效保證（在未給消防供水管道施加受力的情況）。隨著以后我們河口電站機組實現(xiàn)完備化后，若消防管內(nèi)通水則檢修人員此舉是重大事故隱患。會導致角鋼固定不穩(wěn)、消防供水管路圓形不規(guī)整、其環(huán)形管路不在同一圓平面內(nèi)、消防管路受扭力矩影響而產(chǎn)生裂痕甚至斷開等一系列問題。如消防水滲漏等故障，如在機組運行時則會成為重大事故的誘因。

3 處理方案

在以確保檢修人員人身安全、機組運行穩(wěn)定、無事故隱患、檢修人員方便檢修的大原則下，經(jīng)過試驗、分析研究作出以下處理方案：在泡頭內(nèi)面朝下游側(cè)（+x，-y）30°-90°方向（每臺機組情況不一樣，以方便檢修為準）的兩個風機之間再增設(shè)一個進人孔，其寬度約為400mm，高度約為800mm。位置、樣式如下圖所示，增設(shè)的進人孔在泡頭擋風板上，取其擋風板所用之材料，四周用6個M6×20的螺栓把合在擋風板上，外側(cè)加裝高60mm寬150mm的拆卸把手，可以焊接在新進人孔孔門上。四周用厚度為10mm的羊毛氈密封，孔門內(nèi)側(cè)在加裝兩道30的角鋼做十字形立筋，用以提高孔門的平行強度和穩(wěn)定系數(shù)。因為風洞內(nèi)高溫環(huán)境居多，橡膠在此環(huán)境中易老化，故而不選用平板橡膠密封。由于考慮到擋風板的震動問題，進而想到羊毛氈對于震動的消除效果很好，用螺栓把緊時羊毛氈的壓縮量為1.5mm，亦能起到很好的阻風效果。所以最終選定了羊毛氈來做新增進人孔的密封材料。除此之外，在泡體內(nèi)原先的進人孔內(nèi)管型座上還應安裝下行把手，這樣以來也方便了從泡體進人孔進人風洞的檢修人員。因為在定轉(zhuǎn)子室內(nèi)管型座上安裝金屬把手雖然不會對定轉(zhuǎn)子的發(fā)電產(chǎn)生很大的影響，可是其對整個定轉(zhuǎn)子室內(nèi)的平衡電場會產(chǎn)生影響，導致整個工作區(qū)域磁場失衡，為日后的機組正常運行留下隱患。為此我建議把下行把手的材料選定為不銹鋼，尺寸為150mm×400mm的“Π”形，其安裝可以直接焊接在管型座上，也可以在兩短邊用墊腳與4個M10×20的螺栓把合在管型座上。從安全角度考慮，為防止下行把手因管型座的震動而松動、脫落，設(shè)計螺栓與墊腳之間使用止動墊片，而墊腳與管型座內(nèi)壁之間使用厚度為5mm的羊毛氈墊。設(shè)計下行把手之間間距為30mm，設(shè)計每臺機組安裝4個即可，把手用直徑？覬30mm的不銹鋼管即可，使用防滑滾斜十字花紋做表面處理。

4 所需投入

這樣改進所需要的投入分為以下三類：第一，材料。第二，安裝。用割槍割泡頭進人孔時，為防止鐵屑飛濺至定轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)，則用石棉布將工作現(xiàn)場欲保護裝置全部包裹保護，安裝下行扶手是也是如此操作，施工完畢后仔細清掃、檢查。下行把手間距為300mm。第三，維護及使用注意事項。因新增進人孔與下行把手的工作環(huán)境有較高的溫度和復合震動等因素，所以建議做好備品備件工作，如矩形環(huán)羊毛氈墊備用件、螺栓、止動墊片備用件等。此外還需每6個月檢查維護一次，如毛氈的損耗、螺栓的松動等，以及時消除隱患。此定期維護工作完全可以與風洞檢查定期維護工作合并。最后，因新增設(shè)一個泡頭風洞進人孔，則檢修人員進風洞管理制度更需嚴格實施，做好記錄工作以消除事故隱患。此外改裝完畢之后需要對定轉(zhuǎn)子室內(nèi)的消防管路、鏈接處、法蘭面、噴頭等薄弱環(huán)節(jié)進行徹底檢查和維護，以避免日后留下消防管路漏水的事故隱患。

5 改裝后帶來的效益

如此增設(shè)進人孔、安裝下行把手以來，即給檢修人員帶來了極大的便利，又消除了許多安全隱患。首先，進入風洞的檢修人員再無人身安全隱患，因為在管型座上加裝了下行把手，所以即使檢修人員從泡體進人孔進入風洞時，檢修人員也有了地方下腳，有了穩(wěn)定支撐點。當機組運行時這也不會影響到定轉(zhuǎn)子室內(nèi)的平衡磁場。當檢修人員檢修風機時可以直接從泡頭進人孔進入。此時風洞門距離轉(zhuǎn)子約有400-600mm的距離，十分方便檢修人員的進出、檢查風機、加熱器等設(shè)備。其次，檢修人員從泡體進人孔進入風洞時，因不必再腳踩定轉(zhuǎn)子消防水管的固定角鋼了，這樣即大大降低了檢修人員的人身安全，又有效的避免了定轉(zhuǎn)子消防水管的損耗，從而為機組的正常運行消除了事故隱患。最后，當風機出現(xiàn)問題時，若要取出風機本體，則可以直接從泡頭進人孔進入風洞檢修、取下風機，不必再像之前那樣從泡頭繞到泡體再進入風洞爬到相應的風機孔位置檢修，這樣做不僅在無形中消耗了大量的人力，而且與身在泡頭內(nèi)的接應檢修人員的溝通也十分不便。可謂耗時耗力無效率，若從泡頭進人孔進入并檢修風機，則一舉完美地解決了此問題，必要時風機本體也便于取出，檢修等。

作者簡介：劉禎楠（1987-），男，陜西渭南，本科，現(xiàn)從事電站水輪機運行工作。